티타늄 합금은 왜 가공하기 어려운 소재인가요?

티타늄 합금은 티타늄을 기반으로 하나 또는 여러 다른 원소를 첨가해 제조한 새로운 유형의 합금을 의미합니다. 티타늄은 반응성이 매우 높아 대부분의 원소와 상호작용하여 연속 고용체, 제한 고용체, 금속 화합물, 공유 화합물, 이온 화합물 등을 형성할 수 있습니다. 합금 원소는 티타늄의 동소 변태점과 상 조성을 변화시켜 성능을 최적화할 수 있습니다.

01 티타늄 합금이 가공하기 어려운 주된 이유는 "열"입니다

티타늄 합금 가공 중 절삭력은 동일한 경도의 강보다 약간 높을 뿐이지만, 티타늄 합금 가공의 물리적 현상은 강 가공보다 훨씬 복잡하여 큰 가공상의 어려움이 발생합니다.

대부분의 티타늄 합금은 열전도율이 매우 낮아 강의 1/7, 알루미늄의 1/16에 불과합니다. 따라서 티타늄 합금 절삭 중 발생하는 열은 공작물로 빠르게 전달되거나 칩에 의해 제거되지 않고 절삭 영역에 축적됩니다. 이때 발생하는 온도는 1,000°C 이상까지 올라갈 수 있어 공구 절삭날이 빠르게 마모되고 균열이 발생하며 구성인선이 형성됩니다. 마모된 날은 절삭 영역에서 더 많은 열을 빠르게 발생시켜 공구 수명을 더욱 단축합니다.

절삭 과정에서 발생하는 고온은 티타늄 합금 부품의 표면 무결성도 손상시켜 부품의 기하학적 정확도를 떨어뜨리고, 피로 강도를 크게 낮추는 가공 경화를 일으킵니다.

티타늄 합금의 탄성은 부품 성능에 유리할 수 있지만, 절삭 과정에서는 공작물의 탄성 변형이 진동의 주요 원인이 됩니다. 절삭 압력으로 인해 "탄성" 공작물이 공구에서 밀려났다가 반발하면서 공구와 공작물 사이의 마찰이 절삭 작용보다 커집니다. 이 마찰 과정에서도 열이 발생하여 티타늄 합금의 낮은 열전도율 문제를 악화시킵니다.

변형되기 쉬운 얇은 벽 부품이나 링형 부품을 가공할 때는 이 문제가 더욱 심각해집니다. 티타늄 합금 박벽 부품을 예상 치수 정확도로 가공하는 것은 쉽지 않습니다. 공구가 공작물 소재를 밀어내면서 박벽의 국부 변형이 탄성 범위를 초과하고 소성 변형이 발생하기 때문입니다. 이때 절삭 지점의 소재 강도와 경도가 크게 증가합니다. 따라서 원래 정해진 절삭 속도로 가공하면 절삭 속도가 지나치게 높아져 공구가 더욱 빠르게 마모됩니다.

02 티타늄 합금 가공을 위한 기술 팁

티타늄 합금의 가공 메커니즘과 기존 경험을 바탕으로 한 주요 가공 기술 팁은 다음과 같습니다.

(1) 절삭력, 절삭열 및 공작물 변형을 줄일 수 있도록 양의 각도 형상을 가진 인서트를 사용합니다.

(2) 공작물의 가공 경화를 방지하기 위해 일정한 이송을 유지합니다. 절삭 과정에서 공구는 항상 이송 상태를 유지해야 합니다. 밀링 시 반경 방향 절삭 깊이 ae는 반경의 30%로 설정해야 합니다.

(3) 가공 공정의 열적 안정성을 확보하고 과도한 온도로 인한 공작물 표면 변형과 공구 손상을 방지하기 위해 고압·고유량 절삭유를 사용합니다.

(4) 인서트 날을 날카롭게 유지합니다. 무딘 공구는 열 축적과 마모의 원인이 되며, 공구 파손으로 이어지기 쉽습니다.

(5) 티타늄 합금은 가능한 한 가장 연한 상태에서 가공합니다. 경화된 소재는 가공이 더 어려워지기 때문입니다. 열처리는 소재의 강도를 높이고 인서트 마모를 증가시킵니다.

(6) 큰 팁 반경이나 모따기를 사용해 절삭에 진입하고, 가능한 한 많은 인서트 날을 절삭에 활용합니다. 이렇게 하면 각 지점의 절삭력과 열을 줄이고 국부 손상을 방지할 수 있습니다. 티타늄 합금 밀링에서는 모든 절삭 매개변수 중 절삭 속도 vc가 공구 수명에 가장 큰 영향을 미치며, 그다음은 반경 방향 절삭 깊이 ae입니다.

03 인서트에서 시작해 티타늄 가공 문제를 해결하세요

티타늄 합금 가공 시 발생하는 인서트 홈 마모는 절삭 깊이 방향을 따라 여유면과 경사면에 국부적으로 발생하는 마모입니다. 이는 이전 가공에서 남은 가공 경화층 때문에 발생하는 경우가 많습니다. 800°C를 초과하는 가공 온도에서 공구와 공작물 소재 사이에 발생하는 화학 반응과 확산도 홈 마모의 원인 중 하나입니다. 가공 중 공작물의 티타늄 분자가 인서트 앞에 모여 고압·고온 상태에서 인서트에 "용접"되면서 구성인선을 형성하기 때문입니다. 구성인선이 인서트에서 벗겨질 때 인서트의 초경 코팅도 함께 떨어져 나갑니다. 따라서 티타늄 합금 가공에는 특수한 인서트 소재와 형상이 필요합니다.

04 티타늄 가공에 적합한 공구 구조

티타늄 합금 가공에서 핵심은 열입니다. 열을 신속하게 제거하려면 다량의 고압 절삭유를 절삭날에 적시에 정확하게 분사해야 합니다. 시중에는 티타늄 합금 가공 전용의 독특한 밀링 커터 구조가 출시되어 있습니다.